Forschende des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft haben bahnbrechende Erkenntnisse zur Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), einem Schlüsselprozess bei der Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion, gewonnen. In ihrer Studie untersuchten sie, wie die Kinetik von Katalysatoren mit dem komplexen Zusammenspiel zwischen dem flüssigen Elektrolyten und den chemischen Veränderungen auf der Katalysatoroberfläche zusammenhängt. Diese Forschung der Abteilung für Interface Science ebnet möglicherweise den Weg für effizientere Energiewandlungstechnologien, insbesondere für die Herstellung von grünem Wasserstoff. Die Ergebnisse sind entscheidend, um die Funktionsweise von Katalysatoren in wässrigen Umgebungen besser zu verstehen und die Effizienz der Wasserspaltung zu steigern.
Entdeckung eines Übergangspunkts
Eine in der Abteilung von Professor Roldán Cuenya am Fritz-Haber-Institut (FHI) durchgeführte Studie unter der Leitung von Dr. Martinez-Hincapié und Dr. Öner befasst sich mit der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Diese Reaktion stellt einen kritischen Engpass in der Wasserelektrolyse dar, da ihre langsame Kinetik die effiziente Wasserstoffproduktion beeinträchtigen kann. Die Forschenden nutzten dabei temperaturabhängige Elektrochemie und Operando-Spektroskopie, um die OER zu untersuchen und dabei einen entscheidenden kinetischen Übergangspunkt zu identifizieren. An diesem Punkt vollzieht die potenzialabhängige Aktivität des Katalysators einen abrupten und signifikanten Wandel.
Die Rolle der Solvatation
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist die entscheidende Bedeutung der Ionensolvatation, also des Prozesses, bei dem Ionen ihre Solvatationshülle verlieren oder gewinnen. Dieser Vorgang wurde als ein wesentlicher Faktor für die intrinsische Aktivität des Katalysators identifiziert. Dr. Öner erklärt: „Wir sollten die Katalysator-Elektrolyt-Grenzfläche als Ganzes betrachten, nicht als separate Phasen. Wir können die energetiscche Stabilisierung von Überschussladung auf der Feststoffseite nicht ohne die dielektrische Reaktion des Elektrolyten verstehen, und wir können die Ionensolvatation nicht verstehen, ohne zu beachten, was auf der Feststoffseite passiert. Für die Sauerstoffentwicklungsreaktion ist das besonders kritisch, da die feste Grenzfläche im Verlauf der Reaktion drastische strukturelle und chemische Veränderungen durchläuft. Es ist eine Grenzphase, die die beobachtete Aktivität hervorruft.“
Technische Einblicke
In einer technischeren Betrachtung demonstriert die Studie, dass die Katalysatorkinetik von einem komplexen Zusammenspiel zwischen der chemischen und strukturellen Anpassung der Oxid-Oberfläche und der Reaktion der Wassermoleküle an der Grenzfläche abhängt. Mithilfe von Operando-Röntgenspektroskopie konnte das Forschungsteam strukturelle und chemische Veränderungen der Oxidkatalysatoren genau an dem entscheidenden kinetischen Übergangspotenzial beobachten.
Ein wichtiger Befund ist, dass dieses Übergangspotenzial unabhängig von der Katalysatorbeladung oder seiner Oberfläche ist. Dies unterstreicht, dass die intrinsische Aktivität des Katalysators direkt mit seiner Fähigkeit verknüpft ist, eine Überschussladung aufzubauen, die für die Interaktion mit den solvatisierten Ionen aus dem flüssigen Elektrolyten notwendig ist.
Fazit und zukünftige Richtungen
Professorin Dr. Beatriz Roldán Cuenya betont die Wichtigkeit der Kombination verschiedener Operando-Spektro-Mikroskopietechniken, da nur so tiefere Einblicke in das Verhalten von Katalysatoren gewonnen werden können. Diese Techniken liefern essenzielle Informationen über die Katalysatoroberfläche, das Lösungsmittel und die grundlegende Kinetik. Die Forschung leistet nicht nur einen entscheidenden Beitrag zum besseren Verständnis der Katalysatoraktivität, sondern birgt auch großes Potenzial für die Verbesserung von Energiewandlungstechnologien. Das Team beabsichtigt, diese Erkenntnisse weiter zu vertiefen, um die Bereiche der Energie- und chemischen Umwandlungstechnologie maßgeblich zu beeinflussen.
Quelle
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (09/2025)